隨著科技發展的日新月異，人機互動也逐漸地融入了我們的生活。我們無論是在使用手機、電腦、還是智慧手環等電子產品時，都是在進行人機互動。
那你有沒有想過，在不久的將來：
手機支付不再需要掃一掃，只需要輕輕划動衣袖就能安全支付；
也不再用智慧手環監測你的健康，你只需要穿上衣服就能實時得到你的身體體徵資料；
啟動汽車不再需要鑰匙，只需要人坐到座位上，汽車就能識別你的衣服，聽從你的指揮；
……
這些聽起來既科幻又天馬行空的想象，如今科學家們卻讓它們成為了現實。
近日，加州大學 Peter Tseng 教授團隊就將先進的磁超材料整合到柔性紡織品中，創造出了一種能夠在衣物和附近裝置之間進行無電池通訊的系統。
這種紡織品可以讓穿戴者與附近的電子裝置進行數字互動，比如只需要輕輕觸碰或者划動衣袖就可以安全支付，還可以持續監測和傳遞人體的生命體徵。
相關研究論文以“Textile-integrated metamaterials for near-field multibody area networks”為題，發表在科學期刊 Nature Electronics 上。
為可穿戴裝置“加”一個 NFC
1975 年，第一塊計算器手錶問世，智慧可穿戴裝置開始進入我們的生活。
隨著技術的發展，越來越多的智慧可穿戴裝置出現在我們的生活中，比如智慧手環、智慧眼鏡、智慧織物等。
這些智慧可穿戴裝置可以讓人們更加高效地處理外部資訊，以及對人體活動或健康進行監測。
目前，人體的健康監測和活動跟蹤技術主要依賴於可穿戴或可植入感測器。這些感測器所建立的多節點網路可以解讀來自我們身體與物體之間互動的資訊。
為了實時解析這些生物特徵資訊，這種網路要求節點之間有安全可靠的通訊鏈路，這種鏈路通常被稱為身體區域網路（BANs）。
而建立 BANs 需要在身體周圍連線多個感測器，為了不限制人身體的活動，這些感測器大多使用無線連線。
傳統意義上的 BANs 配置的無線通訊包括自定義射頻感測器、射頻識別或藍芽，
然而這些輻射方式通常存在耗電量高和安全性低的問題（比如被竊聽）
。
而使用近場通訊（NFC）可以有效地解決上述問題，提高通訊的安全性。
那什麼是 NFC 技術呢？
NFC 是一種在大多數智慧手機中的射頻識別技術。比如當你用智慧手機或者信用卡靠近讀卡器付款時，你就利用了近場通訊技術。
NFC 既可以用於向裝置供電，可以從裝置收集資料。
因此，這項技術有可能消除可穿戴感測器對電池的需求，使裝置重量輕、壽命長、成本更低。
這種技術看似“完美”的背後，卻存在一個致命的缺點，
那就是通訊範圍過小，只能實現幾釐米的短距離通訊。
將這種技術用在人身體上，很難建立起對全身的連線。（畢竟大家都是腿長一米八，手動狗頭）
為了解決這一問題，研究人員此次研發的紡織品透過使用訊號能夠以最小損失傳播的軌道擴充套件了 NFC 的範圍。
圖｜基於紡織整合超材料的BANs。（來源：該論文評論文章）
訊號傳輸“四通八達”
研究人員受當前低成本乙烯基服裝生產的啟發，在紡織品上集成了磁電感應網路。
這種方法跳過了現代可穿戴裝置柔性織物所需的複雜的縫紉技術以及昂貴的導線。
而且磁超材料使得訊號沿著軌道傳播成為可能：
這些軌道由一個個具有人工週期的組成單元控制，每一個單元由一個電感器和開槽接地層組成，這些單元透過將它們固定到織物上而連線在一起，相鄰的電感器重疊在一起，形成了一種叫做磁感應波導的結構。
當一個 NFC 閱讀器靠近任何一個單元時，它能夠激發該單元內的電壓和電流，進而激發相鄰單元，形成耦合效應。
這種耦合效應使得沿整個結構的訊號級聯，可以將其描述為傳播波。
圖｜紡織整合磁感應通路。a、諧振器製造和紡織整合步驟。b、顯示其堆疊的諧振器放大影象。c、各種靈活的諧振器設計，實現最佳的訊號傳輸和功率分配。d、可穿戴的模組化網路整合到服裝中，並由透明的熱傳導乙烯基覆蓋，作為機械夾具。e、 諧振器可以設計為覆蓋更寬的近場區域，並且可以嵌入特殊顏色的乙烯基設計。這允許網路自定義功能和樣式。f、無電池NFC轉發器與應變和溫度感測器整合，將各自的感測器狀態傳輸到NFC閱讀器。（來源：該論文）
研究人員利用這一效應創造出橫穿身體、分裂成多個分支、跨越不同衣物之間縫隙的軌跡。
他們把這項技術比喻為“鐵路”，當它在一件衣服上交叉時，可以傳輸電力和訊號。
該系統不僅可以很容易地新增新的部分，還可以將不同的衣服搭配起來彼此“交談”。
他們特別指出，穿在褲兜裡的 NFC 閱讀器可以為放置在胸部、腹部、膝蓋和腳踝上的現成感測器供電。
Peter Tseng 教授表明：“這意味著你可以把手機放在口袋裡，只需要用身體摩擦其他紡織品或閱讀器，電力和資訊就可以在你的裝置上傳輸。”
這種創新設計具有高度的靈活性，在運動中，褲子可以測量腿的運動，同時與跟蹤心率和其他統計資料的上衣進行交流。兩個穿著這種衣服的人可以透過手腕相互敲擊來交換字母“high-five”。
論文第一作者 Amirhossein Hajiaghajani 博士表示，這種技術在醫學上的應用是數不勝數的，比如讓醫院工作人員從應用大量病人感測器的任務中解放出來，因為這些感測器都可以整合到裝有超材料的醫護服中。
Peter Tseng 教授表示，“當你把衣服懸浮在無線閱讀器上時，電子裝置就會發出訊號，所以你可以透過簡單的擊掌或握手來分享資訊。”
圖｜採用紡織整合波導進行多轉發器和多波段通訊。a、褲子/襯衫終端上方和下方的襯衫和褲子。NFC閱讀器從多個感測器接收資訊，並連線到外部電池。b、透過BANs內基於時分的多感測器讀數實現對人類活動的實時、短期、低速監測。c、高速、長期室內步行/跑步活動測量。d、在不同速度剖面下室內執行期間監測感測器。e、室內執行期間的長期資料包丟失監測。f、透過NFC的即插即用特性及其在長時間內將手拉近和拉遠時測量的傳輸來實現身體對身體的通訊，以獲得各種VD值。（來源：該論文）
研究人員表示，他們研製的這種紡織品所用成本低，製作簡單， 可以與有趣的可穿戴設計相結合。不僅如此，他們希望這種設計可以減輕現代電子產品給我們生活帶來的負擔。
美中不足
這種技術的發明讓人耳目一新，但仍存在一些問題需要進一步的研究。
我們日常穿著的衣物並不是一次性的，因此，這種織物的耐久性值得考量。研究人員表示，這種紡織品可以經受一個洗滌週期，但要經受日常磨損，可能需要更加堅固的導電材料。
其次，織物與更多的閱讀器或者感測器的互動仍是一個發展方向。智慧手機和面板安裝感測器能否替代電路板原型實現類似的效能仍然是一個懸而未決的問題。
科技使得我們的生活更加智慧化，未來我們將不再滿足於機器與機器之間的連線，人與人之間的交談，更多的是人與機器之間的互動。
透過人機互動，我們或許可以像《阿凡達》中的阿凡達人一樣無聲交流；也可能不必再使用手機螢幕，僅僅透過手勢就能操作裝置；科技的發展必將為我們帶來更多便利。
參考文獻
撰文：郝景
編審：寇建超
本文經授權轉載自
學術頭條
（ID：
SciTouTiao
），原標題為《真正的智慧穿戴！加州大學造新型織物，劃一劃衣袖可安全支付，還可監測健康》，如需二次轉載請聯絡原作者。
